Page 1
See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/322477301
OTOMOTİV SÜSPANSİYON SİSTEMLERİNDE KULLANILAN KÜRESEL
MAFSALLARIN DİNAMİK YÜK ALTINDA YORULMAYA ISIL İŞLEM
TEKNİKLERİNİN ETKİSİ
Conference Paper · January 2018
CITATIONS
0READS
246
4 authors, including:
Some of the authors of this publication are also working on these related projects:
Internet of Things View project
Talaşlı İmalatta Titreşim Analizi View project
Mehmet Ali Güvenç
ISKENDERUN TECHNICAL UNIVERSITY
11 PUBLICATIONS 8 CITATIONS
SEE PROFILE
All content following this page was uploaded by Mehmet Ali Güvenç on 13 January 2018.
The user has requested enhancement of the downloaded file.
Page 2
15th International Materials Symposium (IMSP’2014) 15-17 October 2014 – Pamukkale University – Denizli - Turkey
OTOMOTİV SÜSPANSİYON SİSTEMLERİNDE
KULLANILAN KÜRESEL MAFSALLARIN DİNAMİK YÜK
ALTINDA YORULMAYA ISIL İŞLEM TEKNİKLERİNİN
ETKİSİ
Mehmet Ali GÜVENÇ1,a
, Emin Gürcan GÜREL1,b
, Seracettin AKDI1,c
, Yücel BİROL2,d
1Aydınlar Yedek Parça San. ve Tic. A.Ş. Ar-Ge Merkezi, Konya
2Dokuz Eylül Üniversitesi Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, İzmir
[email protected] ;
[email protected] ;
[email protected] ;
[email protected]
ÖZET
Otomotiv süspansiyon sistemlerinde kullanılan stabilizer (Z rot) rotlar diğer süspansiyon parçaları gibi güvenlik
parçasıdır. Bu nedenle stabilizer rotun bileşenleri olan mafsalların ve gövdenin dayanımı kritik olarak
tasarlanmalıdır. Bu çalışmada dinamik test cihazı kullanılarak küresel saplama elemanlarına (küresel bağlantı)
yapılan ısıl işlem uygulamalarının dinamik yükleme altında kırılma direncine etkisi araştırılmıştır. SAE 5140
kalite çelik malzemeden önce soğuk dövme ve devamında talaş kaldırma işlemleri ile üretilen küresel bağlantı
elemanlarının dinamik yük altında kırılma direncini artırmak için ısıl işlem denemeleri aşağıdaki şartlarda
gerçekleştirilmiştir:
Soğuk dövme sonrası östenitleme ısıl işlemi,
Sonrasında menevişleme işlemi
yapılmıştır.
Küresel saplamaların hepsi aynı geometriye sahip olup, aynı gövdeye aynı yataklama elemanı ile monte
edilmiştir. Dinamik test cihazında(MTS-100Hz); parça ile birlikte küresel saplamalar, aynı frekans ve iki farklı
yükte kırılana kadar yorulma testine devam edilmiştir. Dinamik testler yapılmadan önce parçanın test cihazına
bağlandığı şekli ile sonlu elemanlar programında (ALTAIR) analizi yapılarak gerilmelerin kritik olduğu bölgeler
ortaya konulmuştur. Deneysel çıktılar sonlu elemanlar programında doğrulanmıştır.
Anahtar Kelimeler: Isıl işlem, küresel bağlantı, östenitleme, sonlu eleman, yorulma direnci.
ABSTRACT
Stabilizer rods that are used automotive suspension systems are safety parts like another suspension parts.
Therefore, ball joints and housings that are components of stabilizer rods’ strengths are designed as critical. In
this study, effect of heat treatment on ball studs and effect of heat treatment condition on ball stud’s fatigue life
under dynamic load are investigated. The ball studs are produced cold forging and machining with SAE 5140
steel material. For increase the ball studs fatigue resistance under the dynamic loadings, these heat treatments
applied:
Austenitizing after cold forging,
Tempering after austenitizing.
Page 3
15th International Materials Symposium (IMSP’2014) 15-17 October 2014 – Pamukkale University – Denizli - Turkey
All ball studs are having the same geometry and they assembled same housing with same race. Stabilizer rod’s
ball studs fatigue tests were continued at same frequency and two different loadings until they have broken with
the dynamic test machine (MTS-100Hz). Critical stress areas were identified in real conditions with finite
elements program (ALTAIR) before dynamic tests were started. Experimental outputs verified with finite
elements program.
Key Words: Heat treatment, ball joint, finite element, austenitizing, fatigue resistance.
1. GİRİŞ
Stabilizer rotlar karayolu araçları süspansiyon sistemleri bileşenlerinden bir tanesidir. Karayolu araçlarının kendi
ağırlığından meydana gelen kütlesel ataletler; aracın sağa veya sola dönmesi esnasında belli bir miktar
ivmelenme ile merkezkaç kuvvetine dönüşür. Stabilizer rotlar denge çubuğu ile birlikte dönüş esnasında, virajın
iç tarafında kalan tekerleği yere bastırarak bu kuvvetin etkisini indirger ve aracın yan tarafa yatmasını
engelleyerek emniyetli bir dönüş sağlar. İki ucunda değişik mafsal tipleri bulunan stabilizer rotlar, denge çubuğu
ile tekerlek taşıyıcısı (veya kontrol kolu) arasına bağlanır[1].
Stabilizer rotlarda en sık kullanılan mafsal tipi olan küresel mafsallar, çubuk eksenine dik yönde gelen kuvvetleri
gövde ile beraber taşır. Araç güvenliği için önemli olan bu parça için bu yükleme şartlarında küresel saplamanın
yorulma direncinin belirlenmesi büyük önem taşımaktadır.
Akma veya çekme gerilmesi altında, tekrarlı yüklemelere maruz kalan malzemelerin çatlak ilerlemesine bağlı
olarak hasara uğramasına yorulma kırılması denmektedir. Yorulma kırılmasının nedenleri ise uygulanan
gerilmenin şekli, parçanın geometrisi, yüzey kalitesi, ortamın korozif etkisi, kuvvet iletiminin türü, ön gerilme,
malzeme hatası ve mikro yapının düzensiz olması olarak gösterilir[2]. Stabilizer rotlarda bulunan küresel
saplamaların yorulma ömürlerinin uzun olması için bu etkenlerin uygun olması gerekmektedir.
Küresel saplamalarda uygulanan ısıl işlem teknikleri, parçanın mikro yapısını ve yüzey sertliğini değiştirerek
parçanın kırılma direncini etkilemektedir. Menevişleme işleminde, menevişleme sıcaklığının artmasıyla yorulma
direnci artmaktadır. Bunun sebebi olarak ise menevişleme işlemi ile artık gerilmelerin giderilmesi ve
malzemenin tokluk kazanması gösterilmektedir[3]. Ancak menevişleme sıcaklığı belli bir sıcaklığın üstüne
çıktığında tane yapısında bozulmalar meydana gelmekte ve yorulma dayanımı düşmeye başlamaktadır[4].
Yapılan bu çalışmada soğuk dövme sonrası talaş kaldırma işlemleriyle elde edilen küresel saplamalarda,
östenitleme ve sonrasında menevişleme işlemlerinin yorulma direncine olan etkileri araştırılmıştır.
2. MATERIAL AND METHOD
Çalışmada kullanılan küresel saplamaların malzemesi olan SAE 5140 ıslah çelikleri, otomotiv sektöründe
sertleştirmeye uygun olmaları ve ıslah işlemi ile yüksek tokluk özellikleri sağlamalarından dolayı tercih
edilmektedir. Çizelge 1’de testlerde kullanılan malzemenin kimyasal bileşimi verilmektedir.
Çizelge 1. Çalışmalarda kullanılan çelik malzemenin kimyasal bileşimi (Ağırlıkça %)
C Mn Si P S Cr Ni Mo V W
0.40 0.74 0.08 0.007 0.009 1.11 0.06 0.006 0.003 0.005
Cu Ti B Sn Pb Co Ce Ca Fe
0.097 0.001 0.0006 0.006 0.002 0.01 0.001 0.001 Kalan
Yapılan ısıl işlemlerde soğuk dövme ile elde edilmiş çelik malzeme 800⁰C’de 60 dakika östenitlenmiş ve suda
soğutularak (90⁰C) sertleştirilmiştir. Devamında 450⁰C’de 45 dakika menevişlenerek gerilim giderilmesi
Page 4
15th International Materials Symposium (IMSP’2014) 15-17 October 2014 – Pamukkale University – Denizli - Turkey
yapılmıştır. Isıl işlemi yapılan numunelere (küresel saplamalar) talaşlı işleme yapılarak, stabilizer rot montajı
için hazır hale getirilmiştir.
Isıl işlem uygulanmış numuneler standart metalografik yöntemlerle (zımparalama+polisaj) mikro yapı
incelemeleri için hazır hale getirilmiştir. Isıl işlem uygulanmış numunelerin yüzeyinde oluşabilecek dekarbürize
bölgeden en az 0,5 mm’lik kalınlıktaki bir kısmı taşlama ile uzaklaştırılarak metalografik inceleme sonuçlarının
etkilenmemesi sağlanmıştır.
Yorulma çalışmalarında Şekil 1’ de gösterilen stabilizer rot kullanılmıştır. Isıl işlem yapılan stabilizer rot küresel
saplamaları standart gövdelere monte edilerek yorulma testleri yapılmıştır.
Şekil 1. Stabilizer rot
Numunelerin yorulma testleri dinamik basma-çekme olarak çalışan MTS(100 Hz) test cihazında yapılmıştır.
Çalışmalarda kullanılan test cihazı Şekil 2’ de verilmiştir.
Şekil 2. MTS dinamik test cihazı
Yorulma testleri iki farklı yük altında(3kN ve 4kN) ve 20 Hz frekansta gerçekleştirilmiştir. Yorulma testinde
kullanılan numunelerin kodları ve numuneye yapılan işlemler Çizelge 2’de verilmiştir.
Page 5
15th International Materials Symposium (IMSP’2014) 15-17 October 2014 – Pamukkale University – Denizli - Turkey
Çizelge 2. Numune kodları ve açıklamaları
Numune Kodu Numune Açıklaması
NM3 Normal şartlarda üretilmiş mafsal -3kN
NM4 Normal şartlarda üretilmiş mafsal -4kN
ÖM3 Östenitleme ve devamında menevişleme yapılan mafsal-3kN
ÖM4 Östenitleme ve devamında menevişleme yapılan mafsal-4kN
Yorulma testleri yapılacak olan küresel saplamanın ALTAIR sonlu elemanlar programında gerçek şartları
sağlayacak şekilde mekanik analizleri yapılmıştır. Sınır şartları Şekil 3’ de verilmiştir.
Şekil 3. Analiz sınır şartları(A: Kuvvet, B: Mesnet)
Kırılma bölgelerinin karşılaştırılması için yapılan analiz çalışmalarının sonuçları Şekil 4’ te verilmiştir.
Şekil 4. Küresel saplama mekanik analiz sonucu
Page 6
15th International Materials Symposium (IMSP’2014) 15-17 October 2014 – Pamukkale University – Denizli - Turkey
3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 3.1. Isıl işlem çalışmalarının sertlik üzerine etkisi
Çizelge 3’ de ısıl işlemle yüzeyi sertleştirilmiş numunelere ait mikro sertlik değerleri gösterilmektedir. Sertlik
ölçümleri yüzeyden merkeze doğru yapılmış ve çıkan sonuçların ortalaması alınmıştır.
Çizelge 3. Küresel saplama sertlik değerleri
Numune Kodu Sertlik HRC (187.5 kg)
NM3-NM4 30
ÖM3-ÖM4 40
3.2. Kırılma yüzeylerinin makro yapıları
Şekil 5. Yapılan testler sonrası elde edilen kırılma yüzeyleri a)NM3 b)NM4 c)ÖM3 d)ÖM4
3.3. Uygulanan Isıl İşlem Yönteminin Yorulma Dayanımı Üzerine Etkisi
Östenitleme ve menevişleme işleminin, SAE 5140 ıslah çeliklerinden imal edilen stabilizer rot küresel
saplamalarının yorulma dayanımı üzerine etkisinin araştırıldığı bu çalışmada aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir:
Page 7
15th International Materials Symposium (IMSP’2014) 15-17 October 2014 – Pamukkale University – Denizli - Turkey
Çizelge 4.Normal şartlarda üretilen mafsal testleri sonuçları
Yükleme Şartları Test No Kırılma Çevrimi
3000N 20Hz 1 150052
3000N 20Hz 2 149445
3000N 20Hz 3 178702
3000N 20Hz 4 166485
3000N 20Hz 5 199958
4000N 20Hz 6 36367
4000N 20Hz 7 34286
4000N 20Hz 8 32871
4000N 20Hz 9 35286
4000N 20Hz 10 34785
Çizelge 5. Östenitleme ve menevişleme ile üretilen mafsal testleri sonuçları
Yükleme Şartları Test No Kırılma
3000N 20Hz 1 286947
3000N 20Hz 2 313125
3000N 20Hz 3 374493
3000N 20Hz 4 324120
3000N 20Hz 5 338600
4000N 20Hz 6 65997
4000N 20Hz 7 47434
4000N 20Hz 8 52458
4000N 20Hz 9 62125
4000N 20Hz 10 56128
1. Östenitleme+menevişleme ısıl işlemi yapılan küresel saplamalara sahip stabilizer rotlara 3kN dinamik
yük altında yapılan testlerde, yorulma direncinin 170k çevrimden dan 327k çevrime arttığı görülmüştür,
2. Östenitleme+menevişleme ısıl işlemi yapılan küresel saplamalara sahip stabilizer rotlara 4kN dinamik
yük altında yapılan testlerde, yorulma direncinin 34k çevrimden 56k çevrime arttığı görülmüştür,
3. Yapılan ısıl işlemlerin küresel saplamaların yorulma dayanımını önemli ölçüde arttırdığı görülmüştür.
4. Deneyler sonucunda kırılma bölgelerinin, analizlerdeki kritik gerilme bölgelerine yakın olduğu
görülmüştür.
4. TEŞEKKÜR
Bu çalışmayı destekleyen Aydınlar Yedek Parça San. ve Tic. A.Ş.’ ye teşekkür ederiz. Ayrıca her türlü
çalışmada yardımlarını esirgemeyen Ahmet ÇAKAL’ a ve laboratuvar çalışmalarında destekçimiz olan Emre
GÖKÇİL, Umut YAKIŞAN ve Şükrü İNAN’ a teşekkürü bir borç biliriz.
Page 8
15th International Materials Symposium (IMSP’2014) 15-17 October 2014 – Pamukkale University – Denizli - Turkey
5. KAYNAKÇA
1- Heissing B., Ersoy M. Chassis Handbook, 1st Edition, 2011, Germany.
2- Tauscher H., Çelik ve dökme demirlerin yorulma dayanımı,
3- Üngör Y.M., “Çift fazlı bir çelikte martenzit hacim oranının ve menevişleme ısıl işleminin yorulma ömrü
üzerine etkisi”, TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi, 2010, Ankara.
4- Lee C.S ve diğ., “Microstructural influence on fatigue properties of a high-strength spring steel”, Materials
Science and Engineering A241 (1998) 30-37.
5- Mustafa B. Ve diğ., “Analysis of Tempering Treatment on Material Properties of DIN 41Cr4 and DIN
42CrMo4 Steels”, ASM International, JMEPEG (2007) 16:597–600.
6- Chuang J.H. ve diğ., “Crack growth behaviour of heat-treated 4140 steel in air and gaseous hydrogen”, Int. J.
Fatigue Vol. 20, No. 7, pp. 531–536, 1998.
7- Lin X. ve diğ., “Research on the flow stress characteristics of AISI 1006 and AISI 5140 in the temperature
range of warm forging by means of thermo-mechanical experiments”, Journal of Materials Processing
Technology 122 (2002) 38–44
BIOGRAPHIES
Mehmet Ali GÜVENÇ – 1990 yılında Konya’ da doğdu. Çumra Anadolu Lisesinden 2008 yılından mezun oldu
ve lisans eğitimi için Selçuk Üniversitesi Makine Mühendisliği bölümüne başladı. 2012 yılında lisans eğitimini
tamamladı ve aynı yıl yüksek lisans eğitimine başladı. Halen Selçuk Üniversitesi makine mühendisliği
bölümünde yüksek lisans çalışmalarına devam etmektedir.
Emin Gürcan GÜREL– 1989 yılında Konya’ da doğdu. Selçuklu Anadolu Lisesinden 2007 yılından mezun
oldu ve 2008 yılında lisans eğitimi için Selçuk Üniversitesi Makine Mühendisliği bölümüne başladı. 2012
yılında lisans eğitimini tamamladı ve aynı yıl yüksek lisans eğitimine başladı. Halen Selçuk Üniversitesi makine
mühendisliği bölümünde yüksek lisans çalışmasına devam etmektedir.
Seracettin AKDI– 1987 yılında Konya’ da doğdu. Cihanbeyli Anadolu Lisesinden 2005 yılında mezun oldu ve
aynı yıl Afyon Kocatepe Üniversitesi Metalurji Malzeme Mühendisliği bölümüne başladı. 2011 yılında lisans
eğitimini tamamladı ve Selçuk Üniversitesi Malzeme Mühendisliği Bölümünde yüksek lisans eğitimine başladı.
Halen Selçuk Üniversitesinde yüksek lisans eğitimine devam etmektedir.
Yücel BİROL– 1977 yılında İstanbul Robert Kolejinden mezun oldu. Lisans eğitimini İstanbul Teknik
Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği bölümünde tamamladıktan sonra lisansüstü çalışmaları için
Amerika Birleşik Devletlerindeki Cave Western Reserve Üniversitesine gitmiştir. 1984 yılında yüksek lisans,
1988 yılında da doktora çalışmalarını tamamlamıştır. 1993 yılında İstanbul Teknik Üniversitesinde Doçent
unvanını almıştır.
1988 ve 1992 yılları arasında NASAŞ Alümiyum’da Ar-ge müdürlüğü yapmıştır. 1992 yılından itibaren
çalışmalarına TÜBİTAK-MAM’da sürdürmüştür. Haziran 2014’de TÜBİTAK-MAM’daki görevinden ayrılarak
Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği bölümünde Profesör
olarak çalışmaya başlamıştır.
View publication statsView publication stats